Inzicht in orthogonale frequentieverdelingsmultiplexing (OFDM) en de werking ervan
1. Inleiding tot OFDM:
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is een belangrijke modulatietechniek die wordt gebruikt in moderne communicatiesystemen, waaronder draadloze netwerken zoals 4G LTE en Wi-Fi. Het pakt de uitdagingen aan die worden veroorzaakt door frequentieselectieve fadingkanalen en zorgt voor efficiënte datatransmissie over het radiospectrum.
2. Belangrijkste principes van OFDM:
2.1. Orthogonaliteit van de hulpdraaggolf:
OFDM verdeelt het beschikbare frequentiespectrum in meerdere dicht bij elkaar gelegen subdraaggolven. Het cruciale kenmerk is de orthogonaliteit van deze hulpdraaggolven, wat betekent dat hun frequenties zorgvuldig worden gekozen om interferentie te voorkomen. Deze orthogonaliteit vereenvoudigt het demodulatieproces, waardoor het herstel van verzonden gegevens mogelijk wordt.
2.2. Tussendraaggolfafstand:
De subdraaggolven zijn gelijkmatig verdeeld in het frequentiedomein, en de keuze van de subdraaggolfafstand is een kritische parameter. De gebruikelijke afstanden tussen de subdraaggolven zijn 15 kHz voor LTE en 20 MHz voor Wi-Fi. De afstand is gekozen om de afweging tussen spectrale efficiëntie en robuustheid in evenwicht te brengen om de verspreiding te vertragen.
2.3. Bewakingsintervallen:
Om intersymboolinterferentie veroorzaakt door multipath-propagatie tegen te gaan, introduceert OFDM bewakingsintervallen tussen symbolen. Deze bewakingsintervallen dienen als een tijddomeinbuffer, waardoor signalen kunnen bezinken vóór de ontvangst van het volgende symbool. De bewakingsintervallen zijn doorgaans langer dan de verwachte vertragingsspreiding in het kanaal.
2.4. Modulatie en demodulatie:
Elke hulpdraaggolf in OFDM draagt zijn eigen gemoduleerde signaal. De te verzenden gegevens worden over alle subdraaggolven verspreid, waardoor parallelle verzending mogelijk is. Bij de ontvanger vindt het omgekeerde proces plaats. Het ontvangen signaal wordt gedemoduleerd en de informatie uit elke subdraaggolf wordt geëxtraheerd, wat bijdraagt aan de algehele herstelde gegevens.
2.5. Adaptieve modulatie en codering:
OFDM-systemen maken vaak gebruik van adaptieve modulatie- en coderingsschema’s. Dit betekent dat het modulatieschema en de coderingssnelheid dynamisch kunnen worden aangepast op basis van kanaalomstandigheden. In gunstige omstandigheden worden modulaties en coderingssnelheden van hogere orde gebruikt om de datasnelheden te maximaliseren, terwijl in uitdagende omstandigheden robuustere schema’s worden gebruikt om betrouwbare communicatie te behouden.
3. Hoe OFDM werkt:
3.1. Signaaloverdracht:
- Gegevensinvoer: De invoergegevensstroom is verdeeld in symbolen.
- Subcarrier Modulatie: Elk symbool wordt tegelijkertijd op meerdere subcarriers gemoduleerd.
- Parallelle transmissie: De gemoduleerde symbolen worden parallel verzonden via de hulpdraaggolven.
3.2. Signaalontvangst:
- Kanaalvoortplanting: Het verzonden signaal ondergaat voortplanting door het kanaal, inclusief reflecties en vertragingen.
- Bewakingsintervalafhandeling: Het bewakingsinterval helpt bij het beperken van multipath-interferentie door de signalen tijd te geven om te bezinken.
- Subdraaggolfdemodulatie: Het ontvangen signaal wordt op elke subdraaggolf gedemoduleerd en de informatie van elke subdraaggolf wordt geëxtraheerd.
- Gegevensreconstructie: De informatie van alle subdragers wordt gecombineerd om de oorspronkelijke gegevensstroom te reconstrueren.
3.3. Aanpassing aan kanaalomstandigheden:
OFDM’s aanpassingsvermogen aan wisselende kanaalomstandigheden is een belangrijke kracht. De orthogonaliteit van subdraaggolven maakt een efficiënte beperking van multipath-interferentie mogelijk. Bovendien dragen het gebruik van bewakingsintervallen en adaptieve modulatie en codering bij aan robuuste communicatie onder verschillende kanaalomstandigheden.
4. Toepassingen van OFDM:
OFDM wordt veel gebruikt in verschillende communicatiestandaarden:
- LTE (4G): OFDM is de basis van de downlink-transmissie in LTE en biedt hoge datasnelheden en efficiënt spectrumgebruik.
- Wi-Fi (802.11): Wi-Fi-standaarden, zoals 802.11a/g/n/ac/ax, gebruiken OFDM voor draadloze communicatie in de frequentiebanden 2,4 GHz en 5 GHz.
- Digitale uitzending: OFDM wordt gebruikt in digitale televisie (DVB-T, DVB-T2) en biedt robuuste transmissie in uitdagende omgevingen.
5. Conclusie:
Samenvattend is OFDM een veelzijdig en algemeen toegepast modulatieschema dat efficiënte gegevensoverdracht in verschillende communicatiesystemen mogelijk maakt. De principes van orthogonaliteit van de hulpdraaggolf, bewakingsintervallen en aanpassingsvermogen aan kanaalomstandigheden maken het tot een hoeksteentechnologie voor moderne draadloze communicatie.